Réfrigérateurs moins chers ? Des implants de hanche plus solides ? Une meilleure compréhension de la maladie humaine ? Tout cela pourrait être probable et in addition encore, un jour, grâce à un nouveau projet ambitieux en cours au National Institute of Benchmarks and Technologies (NIST).




Les chercheurs du NIST en sont aux premiers stades d'une entreprise enormous de conception et de building d'une flotte de minuscules thermomètres extremely-sensibles. S'ils réussissent, leur système sera le premier à effectuer des mesures en temps réel de la température à l'échelle microscopique dans un volume 3D opaque – qui pourrait inclure des implants médicaux, des réfrigérateurs et même le corps humain.

Réfrigérateurs moins chers ? Des implants de hanche as well as solides ? Une meilleure compréhension de la maladie humaine ? Tout cela pourrait être probable

Le projet s'appelle Imagerie et contrôle magnétiques thermiques (Thermal MagIC), et les chercheurs affirment qu'il pourrait révolutionner les mesures de température dans de nombreux domaines: biologie, médecine, synthèse chimique, réfrigération, industrie automobile, creation de plastique – « à peu près partout où la température joue un rôle critique « , a déclaré la physicienne du NIST Cindi Dennis. « Et c'est partout. »




L'équipe du NIST a maintenant terminé la building de ses espaces de laboratoire personnalisés pour ce projet exceptional et a commencé la première period majeure de l'expérience.

Thermal MagIC fonctionnera en utilisant des objets de taille nanométrique dont les signaux magnétiques changent avec la température. Les objets seraient incorporés dans les liquides ou les solides étudiés – le plastique fondu qui pourrait être utilisé dans le cadre d'un remplacement d'articulation artificielle, ou le liquide de refroidissement recirculé dans un réfrigérateur. Un système de télédétection capterait alors ces signaux magnétiques, ce qui signifie que le système étudié serait exempt de fils ou d'autres objets externes encombrants.

Le produit remaining pourrait permettre des mesures de température 10 fois moreover précises que les techniques de pointe, acquises en un dixième du temps dans un quantity 10 000 fois moreover petit. Cela équivaut à des mesures précises à moins de 25 millikelvin (millièmes de kelvin) en aussi peu qu'un dixième de seconde, dans un quantity de seulement cent micromètres (millionièmes de mètre) d'un côté. Les mesures seraient « traçables » au Système international d'unités (SI) en d'autres termes, ses lectures pourraient être liées avec précision à la définition fondamentale du kelvin, l'unité de foundation de température du monde.

Le système vise à mesurer des températures comprises entre 200 et 400 kelvin (K), soit environ -99 à 260 degrés Fahrenheit (F). Cela couvrirait la plupart des applications potentielles – au moins celles que l'équipe de Thermal MagIC envisage de réaliser dans les 5 prochaines années. Dennis et ses collègues voient un potentiel pour une plage de températures beaucoup in addition large, allant de 4 K-600 K, qui engloberait tout, des supraconducteurs surfondus au plomb fondu. Mais cela ne fait pas partie des options de développement actuels.

« Il s'agit d'un changement assez critical pour que nous nous attendions à ce que si nous pouvons le développer – et nous sommes convaincus que nous le pouvons – d'autres personnes le prendront et fonctionneront vraiment avec lui et feront des choses que nous ne pouvons actuellement pas imaginer, » Dit Dennis.

Les applications potentielles concernent principalement la recherche et le développement, mais Dennis a déclaré que l'augmentation des connaissances se répercuterait probablement sur une variété de produits, y compris éventuellement des imprimantes 3D, des réfrigérateurs et des médicaments.

À quoi ça sert ?

Qu'il s'agisse du thermostat de votre salon ou d'un instrument typical de haute précision que les scientifiques utilisent pour les mesures de laboratoire, la plupart des thermomètres utilisés aujourd'hui ne peuvent mesurer que des zones relativement grandes – à un niveau macroscopique plutôt que microscopique. Ces thermomètres conventionnels sont également intrusifs, nécessitant des capteurs pour pénétrer dans le système mesuré et se connecter à un système de lecture par des fils volumineux.

Les thermomètres infrarouges, tels que les devices frontaux utilisés dans de nombreux cabinets de médecins, sont moins intrusifs. Mais ils ne font encore que des mesures macroscopiques et ne peuvent pas voir sous les surfaces.

Thermal MagIC devrait permettre aux scientifiques de contourner ces deux restrictions, a déclaré Dennis.

Les ingénieurs pourraient utiliser Thermal MagIC pour étudier, pour la première fois, comment le transfert de chaleur se produit dans différents liquides de refroidissement à l'échelle microscopique, ce qui pourrait les aider à trouver des systèmes de réfrigération moins chers et moins énergivores.

Les médecins pourraient utiliser Thermal MagIC pour étudier les maladies, dont beaucoup sont associées à des augmentations de température – une caractéristique de l'inflammation – dans des get-togethers spécifiques du corps.

Et les fabricants pourraient utiliser le système pour mieux contrôler les equipment d'impression 3D qui fondent le plastique pour construire des objets personnalisés tels que des implants médicaux et des prothèses. Sans la capacité de mesurer la température à l'échelle micrométrique, les développeurs d'impression 3D manquent d'informations cruciales sur ce qui se passe à l'intérieur du plastique lorsqu'il se solidifie en un objet. Davantage de connaissances pourraient améliorer un jour la résistance et la qualité des matériaux imprimés en 3D, en donnant aux ingénieurs as well as de contrôle sur le processus d'impression 3D.

Donner oommf

La première étape de la fabrication de ce nouveau système de thermométrie consiste à créer des aimants de taille nanométrique qui émettront des signaux magnétiques puissants en réponse aux changements de température. Pour maintenir les concentrations de particules aussi faibles que doable, les aimants devront être 10 fois as well as sensibles aux changements de température que tout objet existant actuellement.

Pour obtenir ce type de sign, a déclaré Dennis, les chercheurs devront probablement utiliser plusieurs matériaux magnétiques dans chaque nano-objet. Un noyau d'une compound sera entouré par d'autres matériaux comme les couches d'un oignon.

Le problème est qu'il existe pratiquement des combinaisons infinies de propriétés qui peuvent être modifiées, y compris la composition, la taille, la forme, le nombre et l'épaisseur des couches, voire le nombre de matériaux. Passer en revue toutes ces combinaisons potentielles et tester chacune d'elles pour son effet sur la sensibilité à la température de l'objet pourrait prendre plusieurs vies.

Pour les aider à y arriver en quelques mois au lieu de décennies, l'équipe se tourne vers un logiciel sophistiqué: l'Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), un programme de modélisation largement utilisé développé par les chercheurs du NIST Mike Donahue et Don Porter.

L'équipe Thermal MagIC utilisera ce programme pour créer une boucle de rétroaction. Les chimistes du NIST Thomas Moffat, Angela Hight Walker et Adam Biacchi synthétiseront de nouveaux nano-objets. Puis Dennis et son équipe caractériseront les propriétés des objets. Et enfin, Donahue les aidera à transmettre ces informations à OOMMF, qui fera des prédictions sur les combinaisons de matériaux à essayer ensuite.

« Nous avons des résultats très prometteurs du côté des nano-objets magnétiques, mais nous n'en sommes pas encore tout à fait là », a déclaré Dennis.

Chaque chien est un voxel

Alors, comment mesurent-ils les signaux émis par de minuscules concentrations de nano-thermomètres à l'intérieur d'un objet 3D en réponse aux changements de température ? Ils le font avec une machine appelée imageur de particules magnétiques (MPI), qui entoure l'échantillon et mesure un sign magnétique provenant des nanoparticules.

En effet, ils mesurent les changements du sign magnétique provenant d'un petit volume de l'échantillon, appelé un « voxel » – essentiellement un pixel 3D – et puis parcourent l'échantillon entier un voxel à la fois.

Mais il est difficile de focaliser un champ magnétique, a déclaré le physicien du NIST Solomon Woods. Ils atteignent donc leur objectif à l'envers.

Prenons une métaphore. Supposons que vous ayez un chenil et que vous souhaitiez mesurer le niveau d'aboiement de chaque chien. Mais vous n'avez qu'un seul microphone. Si plusieurs chiens aboient à la fois, votre micro captera tout ce son, mais avec un seul micro, vous ne pourrez pas distinguer les aboiements d'un chien de ceux d'un autre.

Cependant, si vous pouviez calmer chaque chien d'une manière ou d'une autre – peut-être en occupant sa bouche avec un os – à l'exception d'un seul cocker dans le coin, votre micro capterait toujours tous les sons de la pièce, mais le seul son serait du cocker.

En théorie, vous pouvez le faire avec chaque chien dans l'ordre – d'abord le cocker, puis le mastiff à côté, puis le labradoodle suivant – à chaque fois en laissant un seul chien sans os.

Dans cette métaphore, chaque chien est un voxel.

Fondamentalement, les chercheurs maximisent la capacité de tous les petits volumes de leur échantillon sauf un à répondre à un champ magnétique. (C'est l'équivalent de remplir la bouche de chaque chien avec un os délicieux.) Ensuite, mesurer le changement de signal magnétique de l'échantillon entier vous permet de mesurer efficacement juste cette petite segment.

Des systèmes MPI similaires à celui-ci existent mais ne sont pas assez sensibles pour mesurer le form de minuscule sign magnétique qui proviendrait d'un petit changement de température. Le défi pour l'équipe du NIST est d'augmenter considérablement le signal.

« Notre instrumentation est très similaire au MPI, mais comme nous devons mesurer la température, pas seulement mesurer la présence d'un nano-objet, nous devons essentiellement augmenter notre rapport sign / bruit sur MPI de mille ou 10 000 fois », Dit Woods.

Ils prévoient d'augmenter le sign à l'aide de technologies de pointe. Par exemple, Woods peut utiliser des dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs (SQUID), des capteurs cryogéniques qui mesurent des changements extrêmement subtils dans les champs magnétiques ou des magnétomètres atomiques, qui détectent comment les niveaux d'énergie des atomes sont modifiés par un champ magnétique externe. Woods travaille sur quels sont les meilleurs à utiliser et comment les intégrer dans le système de détection.

La dernière partie du projet consiste à s'assurer que les mesures sont traçables au SI, un projet dirigé par le physicien du NIST Wes Tew. Cela impliquera de mesurer les signaux magnétiques des nano-thermomètres à différentes températures qui sont simultanément mesurées par des devices common.

Les autres membres clés de l'équipe du NIST incluent Thinh Bui, Eric Rus, Brianna Bosch Correa, Mark Henn, Eduardo Correa et Klaus Quelhas.

Avant de terminer leur nouvel espace de laboratoire, les chercheurs ont pu terminer des travaux importants. Dans un report publié le mois dernier dans l'International Journal on Magnetic Particle Imaging, le groupe a rapporté avoir trouvé et testé un matériau nanoparticulaire « prometteur » fait de fer et de cobalt, avec des sensibilités à la température qui variaient de manière contrôlable en fonction de la façon dont l'équipe préparé le matériel. L'ajout d'un matériau de coque approprié pour envelopper ce « noyau » de nanoparticules rapprocherait l'équipe de la création d'une nanoparticule sensible à la température de travail pour Thermal MagIC.

Au cours des dernières semaines, les chercheurs ont fait de nouveaux progrès en testant des combinaisons de matériaux pour les nanoparticules.

« Malgré le défi de travailler pendant la pandémie, nous avons eu quelques succès dans nos nouveaux laboratoires », a déclaré Woods. « Ces réalisations incluent nos premières synthèses de systèmes nanomagnétiques multicouches pour la thermométrie et des mesures de température magnétique ultra-stables utilisant des procedures empruntées à la recherche sur l'horloge atomique. »